CN114706390A - 船舶推进控制方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了船舶推进控制方法及存储介质，所述方法包括以动力装置功率最低或推进效率最高为目标建立第一行驶数据库和第二行驶数据库；以及基于预设的目标航速和所述船舶上传感器的监测数据计算阻力系数从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中获取相应的参考螺旋桨转速和参考螺距比，以作为所述动力装置推进的控制参数。本发明通过建立第一行驶数据库和第二行驶数据库，当船舶行驶时，根据船舶当前的行驶工况获取目标航速和阻力系数，并从第一行驶数据库和第二行驶数据库获取相应的参考螺旋桨转速和参考螺距比，以作为所述动力装置推进的控制参数，达到提高动力装置的工作效率和降低船舶油耗的目的。

Description

船舶推进控制方法及存储介质

技术领域

本发明涉及调距桨控制技术领域，尤其涉及一种船舶推进控制方法及存储介质。

背景技术

调距桨(CPP)是一种螺距可根据船舶工况的变化而变化的螺旋桨，一般应用在轮渡船或者舰船上，不仅能提高动力装置的机动性，而且能充分发挥动力装置功率，提高可靠性，降低油耗。

传统的调距桨(CPP)控制方法一般有两种：

第一种是动力装置恒转速控制模式，通过改变螺旋桨螺距改变推进系统推力，当螺距小范围变化时，动力装置负荷变化较平缓，但当螺距大范围改变时，动力装置负荷变化非常大，这种控制控制模式容易对动力装置产生冲击，不易操控。

第二种是联控模式，动力装置转速和螺距比同时变化。这种模式需要在船舶控制系统设计时，设计一条机桨联控曲线，动力装置转速和螺距比变化成强相互关联。实际调控过程中，动力装置负荷变化平缓，不易超负荷。但这种机桨联控曲线仅针对设计工况，并不是全工况最优，因此当外界环境发生变化时，匹配点也会偏离，导致效率下降，油耗增加。

然而近年来也出现一种节油控制方案，LeanMarine公司针对调距桨开发了一款节油系统，该系统在船舶巡航工况下投入使用，系统设计原理为动力装置转速越低、螺距比越高越好，并且动力装置扭矩达到标称扭矩极限，此时的动力装置转速和螺距比被认为最佳值。但是这种方法依赖经验性，未追求系统综合效率最大化，这种控制方案仍存在节油空间。

发明内容

本发明提供了一种船舶推进控制方法及存储介质，能够有效解决在现有技术方案中螺旋桨转速和螺距比之间设置不合理导致动力装置的性能低的问题。

根据本发明的一方面，提供一种船舶推进控制方法，所述方法包括：建立第一行驶数据库和第二行驶数据库，其中所述第一行驶数据库包括目标航速和阻力系数下对应的参考螺旋桨转速，所述第二行驶数据库包括目标航速和阻力系数下对应的参考螺距比，其中，所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中同一目标航速和阻力系数对应的参考螺旋桨转速和参考螺距比是使驱动所述船舶的动力装置的功率和/或效率满足预设的优化目标的参数组合；以及基于预设的目标航速和所述船舶上传感器的监测数据计算所述船舶当前航行中的实际阻力系数，并从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中查找与所述实际阻力系数相对应的目标参考螺旋桨转速和目标参考螺距比，并将所述目标参考螺旋桨转速和所述目标参考螺距比作为所述动力装置的工作参数。

进一步地，所述建立第一行驶数据库和第二行驶数据库包括：获取不同目标航速下阻力系数的理论值和静水阻力；以及根据阻力系数的理论值和静水阻力确定所述船舶的实际阻力。

进一步地，所述建立第一行驶数据库和第二行驶数据库还包括：获取所述目标航速下所需的螺旋桨推力，其中所述螺旋桨推力与所述船舶的实际阻力相同；以及通过匹配计算确定满足所述螺旋桨推力全部的标准螺旋桨转速和标准螺距比。

进一步地，所述建立第一行驶数据库和第二行驶数据库还包括：基于标准螺旋桨转速和标准螺距比确定所述动力装置的输出功率或综合效率；根据所述动力装置的外特性曲线和推进特性曲线将能够使得所述动力装置的输出功率或综合效率满足预设的优化目标的参数组合的标准螺旋桨转速和标准螺距比作为第一行驶数据库的目标参考螺旋桨转速和第二行驶数据库的目标参考螺距比。

进一步地，所述动力装置的外特性曲线和推进特性曲线的变量包括：动力装置的转速、功率、扭矩、扭矩极限范围、负荷极限范围、排烟限制范围、排温限制范围和最大最小转速限制范围。

进一步地，所述基于预设的目标航速和所述船舶上传感器的监测数据计算所述船舶当前航行中的实际阻力系数，并从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中查找与所述实际阻力系数相对应的目标参考螺旋桨转速和目标参考螺距比，并将所述目标参考螺旋桨转速和所述目标参考螺距比作为所述动力装置的工作参数包括：基于当前船舶上传感器的监测数据获取环境阻力；根据所述静水阻力和所述环境阻力确定船舶当前航行中的实际阻力；以及根据所述静水阻力和所述船舶当前航行中的实际阻力的比值作为所述实际阻力系数。

进一步地，所述传感器包括：采集风速风向器、定位器、计程器、测深器、海浪器。

进一步地，所述环境阻力包括：风阻力、浪阻力和流阻力。

进一步地，所述方法还包括：获得船舶的设计参数，所述设计参数包括：船舶主尺度信息、静水阻力、静水阻力、自航因子、动力系统配置、动力装置技术参数、动力装置外特性、动力装置推进特性、动力装置万有特性、调距桨技术参数和调距桨敞水特性曲线和船舶航段历史采集数据。

根据本发明的另一方面，提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载以执行本发明任一实施例所述的船舶推进控制方法。

本发明的优点在于，通过建立第一行驶数据库和第二行驶数据库，当船舶行驶时，根据船舶当前的行驶工况获取目标航速和实时阻力系数，并从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中查找与所述实际阻力系数相对应的目标参考螺旋桨转速和目标参考螺距比，并将所述目标参考螺旋桨转速和所述目标参考螺距比作为所述动力装置的最佳工作参数，达到降低船舶油耗的目的。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本发明实施例提供的一种船舶推进控制方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例提供的建立第一行驶数据库和第二行驶数据库的步骤流程图。

图3为本发明实施例步骤S120的另一步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现在参阅图1，图1为本发明实施例提供的船舶推进控制方法。所述方法包括：

步骤S110：建立第一行驶数据库和第二行驶数据库，其中所述第一行驶数据库包括目标航速和阻力系数下对应的参考螺旋桨转速，所述第二行驶数据库包括目标航速和阻力系数下对应的参考螺距比，其中，所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中同一目标航速和阻力系数对应的参考螺旋桨转速和参考螺距比是使驱动所述船舶的动力装置的功率或效率满足预设的优化目标的参数组合。

示例性地，获得船舶的设计参数，所述设计参数包括：船舶主尺度信息、静水阻力、静水阻力、自航因子、动力系统配置、动力装置技术参数、动力装置外特性、动力装置推进特性、动力装置万有特性、调距桨技术参数和调距桨敞水特性曲线和船舶航段历史采集数据。以用于后续计算需要。

为了便于理解，在获取船舶的设计参数后，首先构建两个数据库B1(即第一行驶数据库)和B2(即第二行驶数据库)，输入条件均为目标航速和阻力系数，其中B1定义为最佳螺旋桨转速的二维数据库，B2定义为最佳螺距比的二维数据库。

为了建立所述数据库B1和B2，先假定全部可能的目标航速和全部可能的阻力系数，所述阻力系数定义为同一航速下船舶实际阻力与静水阻力(即理论阻力)的比值。其中静水阻力从目标船舶的船模静水(静水是指在封闭的水池中)试验中获得，并将阻力系数作为输入。进一步地，实际阻力等于阻力系数乘以静水阻力，实际阻力将用于调距桨(CPP)的匹配设计。

调距桨(CPP)的匹配需输入不同螺距比的敞水性能曲线，包括K_T＝f(J)，K_Q＝f(J)，η₀＝f(J)，所述敞水性能曲线由桨模试验获得。此外匹配还需要输入伴流分数ω、推力减额系数t、目标航速、螺旋桨直径D和实船阻力曲线。所述伴流分数和推力减额系数由船模自航试验获得。其中推力系数K_T、扭矩系数K_Q和敞水效率η₀。

某一特定工况和目标航速V下，船舶要实现匀速直线航行，必须满足的条件是：螺旋桨推力T(计入推力减额)与船舶实际阻力R平衡，即T(1-t)＝R。所述船舶实际阻力为阻力系数λ和静水阻力的乘积。同时调距桨由全部的不同螺距的定距桨组成，敞水特性也由定距桨的敞水(敞水是指在开放的静水区域)特性构成，已知螺旋桨的转速n、直径D、推力系数K_T、扭矩系数K_Q和敞水效率η₀，则螺旋桨的进速系数：J＝V_A/(nD)，其中：V_A＝V(1-ω)，推力：T＝K_T·ρ·n²·D⁴，扭矩：Q＝K_Q·ρ·n²·D⁵，进而推力系数进速比可求。所述推力系数进速比定义为推力系数和进速系数平方的比值，计算如下：

其中ρ海水的密度，k螺旋桨的数量，t推力减额，ω为伴流分数。

再利用螺旋桨各个螺距比下的敞水性能曲线，计算出K_T/J²-J曲线。

结合所述推力系数进速比和K_T/J²-J曲线，查得目标航速对应的J值，再在螺旋桨的敞水性能曲线上查得对应的K_Q值。

然后获得动力装置需求的输出功率按下式计算：

其中P_DB为螺旋桨的收到率，P_D0为螺旋桨的敞水功率，η_s为螺旋桨的轴效率，η_R为螺旋桨的相对旋转效率(即螺旋桨在当前环境的水域与敞水下效率对比)。

经过上述流程，获得某特定工况下船、机、桨的匹配点，包括：目标航速及满足目标航速的全部推力系数、进速系数、螺旋桨转速和螺距比。

然后利用动力装置外特性曲线和推进特性曲线，结合上述船、机、桨的匹配点，可构建快速预测网络。所述动力装置外特性曲线和推进特性曲线由动力装置台架试验获得，包含：动力装置转速、动力装置功率、动力装置扭矩、许用扭矩极限范围、负荷极限范围、排烟限制范围、排温限制范围和最大最小转速限制。

下一步，对快速性网络进行编程拟合，建立动力装置功率或综合效率的目标函数，然后应用粒子群算法(或其他优化算法)寻找最优解，输出动力装置需求功率最低的最佳转速和最佳螺旋桨螺距比。同时许用扭矩极限范围、负荷极限范围、排烟限制范围、排温限制范围和最大最小转速限制作为限制条件，保证动力装置不会超负荷运行。

最后一步，利用上述指定工况和目标航速的最佳转速和最佳螺距比，并重复上述流程，构建全部航速和全部阻力工况的最佳转速和最佳螺距比数据库，即所述数据库B1和数据库B2。

还需要说明的是，螺旋桨最佳匹配流程的最终结果形成适用全工况的最佳转速和最佳螺距比的数据库。所述数据库B1和数据库B2的结构为二维数据库，输入参数为目标航速和阻力系数，输出参数分别为最佳螺旋桨转速(目标参考螺旋桨转速)和最佳螺距比(目标参考螺距比)，其中目标航速的精确度包括但不低于0.1kn或者0.1Km/h，阻力系数的精确度的包括但不低于0.1％。可以理解为若全部工况下目标航速为0-1。则数据库中目标航速分为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1。阻力系数与之相似，在此不再赘述。

在其他实施例中，步骤S110具体包括以下步骤：

步骤S111：获取不同目标航速下阻力系数的理论值和静水阻力。

步骤S112：根据阻力系数的理论值和静水阻力确定所述船舶的实际阻力。

步骤S113：获取所述目标航速下所需的螺旋桨推力，其中所述螺旋桨推力与所述船舶的实际阻力相同。

步骤S114：确定满足所述螺旋桨推力全部的标准螺旋桨转速和标准螺距比，构建快速预测网络。

步骤S115：基于标准螺旋桨转速和标准螺距比确定所述动力装置的输出功率或综合效率。

步骤S116：根据所述动力装置的外特性曲线和推进特性曲线将能够使得所述动力装置的输出功率或综合效率满足预设的优化目标的参数组合的标准螺旋桨转速和标准螺距比作为第一行驶数据库的目标参考螺旋桨转速和第二行驶数据库的目标参考螺距比。

为了便于理解步骤S111至步骤S118，可以建立一个自适应的函数方程，该函数方程的输入条件包括目标航速、定义阻力系数曲线(即理论的阻力系数曲线)、静水阻力。根据定义的阻力系数曲线计算实际阻力。输入调距桨敞水性能曲线(包含多螺距比性能曲线)、伴流分数、推力减额和实际阻力。根据输入条件计算目标航速下的K_T/J²。

根据计算的结果和调距桨特性曲线，获取满足目标航速的推力系数和螺旋桨进速系数。根据原理计算并获得全部满足目标航速的螺旋桨转速和螺距比。

结合动力装置的外特性、推进特性和万有特性，构建船舶航行的快速预测网络。所述快速预测网络可以用于构建B1和B2数据库，也可以用于船舶推进控制。

基于粒子群等优化算法，以动力装置的输出功率最小和综合效率最佳为目标进行求解。求解的最优结果，构建适用于全工况的最佳转速和最佳螺距比数据库B1和B2。

步骤S120：基于预设的目标航速和所述船舶上传感器的监测数据计算所述船舶当前航行中的实际阻力系数，并从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中查找与所述实际阻力系数相对应的目标参考螺旋桨转速和目标参考螺距比，并将所述目标参考螺旋桨转速和所述目标参考螺距比作为所述动力装置的工作参数。

示例性地，计算阻力系数可以根据船舶航行阻力由静水阻力和环境增阻共同构成，其中静水阻力由船模静水试验获得，同时环境阻力通过公式计算。所述环境阻力考虑但不仅限于：风阻力、浪阻力和流阻力。

示例性地，结合静水阻力和计算的环境阻力获得目标航速V₀时预测的船舶实际阻力R₁＝f(V₀)。进而计算实际阻力系数λ₀＝R₁(V₀)/R(V₀)·100％。然后根据目标航速和实际阻力系数，在数据库B1和数据库B2中快速查找满足目标航速的最佳螺旋桨转速n和最佳螺距比P/D。最后将最佳螺旋桨转速和螺距比输出给动力装置。从而使得动力装置按照预设的参数进行运作。

在其他实施例汇总，步骤S120还可以包括以下步骤：

步骤S121：基于当前船舶上传感器的监测数据获取环境阻力。

步骤S122：根据所述静水阻力和所述环境阻力确定船舶当前航行中的实际阻力。

步骤S123：根据所述静水阻力和所述船舶当前航行中的实际阻力的比值作为所述实际阻力系数。

为了便于理解步骤S121至步骤S124，首先将船舶的采集风速风向器、定位器、计程器、测深器、海浪器等传感器的实时监测参数，作为已知条件输入。同时输入目标航速和静水阻力。再结合目标航速、静水阻力和传感器监测的环境参数，基于原理和公式实时预测船舶航行实际阻力，达到识别船舶工况的目的。以静水阻力为基准曲线，计算的实际阻力计算阻力系数。根据目标航速和阻力系数到数据库B1和B2中进行匹配，获得满足目标航速和实际工况的最佳螺旋桨转速和螺距比。将最佳螺旋桨转速和螺距比输出给动力装置。

本发明的优点在于，通过建立第一行驶数据库和第二行驶数据库，当船舶行驶时，根据船舶当前的行驶工况获取目标航速和实时阻力系数，并从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中查找与所述实际阻力系数相对应的目标参考螺旋桨转速和目标参考螺距比，并将所述目标参考螺旋桨转速和所述目标参考螺距比作为所述动力装置的工作参数。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载以执行本发明任一实施例所述的船舶推进控制方法。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种船舶推进控制方法，其特征在于，所述方法包括：

建立第一行驶数据库和第二行驶数据库，其中所述第一行驶数据库包括目标航速和阻力系数下对应的参考螺旋桨转速，所述第二行驶数据库包括目标航速和阻力系数下对应的参考螺距比，其中，所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中同一目标航速和阻力系数对应的参考螺旋桨转速和参考螺距比是使驱动所述船舶的动力装置的功率和/或效率满足预设的优化目标的参数组合；以及

基于预设的目标航速和所述船舶上传感器的监测数据计算所述船舶当前航行中的实际阻力系数，并从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中查找与所述实际阻力系数相对应的目标参考螺旋桨转速和目标参考螺距比，并将所述目标参考螺旋桨转速和所述目标参考螺距比作为所述动力装置的工作参数。

2.根据权利要求1所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述建立第一行驶数据库和第二行驶数据库包括：

获取不同目标航速下阻力系数的理论值和静水阻力；以及

根据阻力系数的理论值和静水阻力确定所述船舶的实际阻力。

3.根据权利要求2所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述建立第一行驶数据库和第二行驶数据库还包括：

获取所述目标航速下所需的螺旋桨推力，其中所述螺旋桨推力与所述船舶的实际阻力相同；以及

确定满足所述螺旋桨推力全部的标准螺旋桨转速和标准螺距比。

4.根据权利要求3所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述建立第一行驶数据库和第二行驶数据库还包括：

基于标准螺旋桨转速和标准螺距比确定所述动力装置的输出功率或综合效率；

根据所述动力装置的外特性曲线和推进特性曲线将能够使得所述动力装置的输出功率或综合效率满足预设的优化目标的参数组合的标准螺旋桨转速和标准螺距比作为第一行驶数据库的目标参考螺旋桨转速和第二行驶数据库的目标参考螺距比。

5.根据权利要求4所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述动力装置的外特性曲线和推进特性曲线的变量包括：动力装置的转速、功率、扭矩、扭矩极限范围、负荷极限范围、排烟限制范围、排温限制范围和最大最小转速限制范围。

6.根据权利要求1所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述基于预设的目标航速和所述船舶上传感器的监测数据计算所述船舶当前航行中的实际阻力系数，并从所述第一行驶数据库和第二行驶数据库中查找与所述实际阻力系数相对应的目标参考螺旋桨转速和目标参考螺距比，并将所述目标参考螺旋桨转速和所述目标参考螺距比作为所述动力装置的工作参数包括：

基于当前船舶上传感器的监测数据获取环境阻力；

根据所述静水阻力和所述环境阻力确定船舶当前航行中的实际阻力；以及

根据所述静水阻力和所述船舶当前航行中的实际阻力的比值作为所述实际阻力系数。

7.根据权利要求6所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述传感器包括：采集风速风向器、定位器、计程器、测深器、海浪器。

8.根据权利要求2所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述环境阻力包括：风阻力、浪阻力和流阻力。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的船舶推进控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

获得船舶的设计参数，所述设计参数包括：船舶主尺度信息、静水阻力、静水阻力、自航因子、动力系统配置、动力装置技术参数、动力装置外特性、动力装置推进特性、动力装置万有特性、调距桨技术参数和调距桨敞水特性曲线和船舶航段历史采集数据。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载以执行权利要求1至9任一项所述的船舶推进控制方法。

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